焊接冶金过程

1、BX1-300焊接冶金过程焊接冶金过程学习目标 知识目标： 1、理解焊接冶金的特点、焊缝金属脱氧、脱硫、脱磷的方法； 2、掌握气体、熔渣对焊缝金属的影响以及预防气孔出现的有效措施。 能力目标： 理论联系实践，把理论应用到生产实习中 焊接电弧产生以后，焊接区的物质在电弧焊接电弧产生以后，焊接区的物质在电弧高温作用下，会发生激烈的物理化学反应，高温作用下，会发生激烈的物理化学反应，反应的过程称为焊接冶金过程。包括：反应的过程称为焊接冶金过程。包括：焊接冶金过程的特点焊接冶金过程的特点气体对焊缝金属的影响气体对焊缝金属的影响氮与金属的作用、氢与金属的作用、氧与金属的作氮与金属的作用、氢与金属的作用、

2、氧与金属的作用用焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷焊缝金属的脱氧、脱硫、脱磷焊缝金属的渗合金焊缝金属的渗合金 一、焊接冶金的特点一、焊接冶金的特点 （1）温度高及温度梯度大）温度高及温度梯度大 电弧温度50008000，金属强烈蒸发，周围气体电离，熔池受到常温金属包围，温度梯度大，电弧温度高。药皮中物质的分解产出大量的气体，在熔池周围形成一个保护层；同时，2 、 2等大量分解出来的气体原子或离子很容易溶入到熔池金属中，由于冷却速度快，溶解度不断下降，结果来不及析出而残留在焊缝中；电弧高温作用下，还会产生金属蒸汽，合金元素易被氧化即烧损，使焊缝合金元素的含量下降，分布不均匀。 （2）熔池体积小且保持时间

3、短）熔池体积小且保持时间短 熔池形成到结晶仅有几秒钟，焊缝金属偏析严重。焊缝金属的冶金反应不充分，组织成分差异较大。 （3）熔池金属不断更新）熔池金属不断更新 随着焊接熔池的移动，不断有新的熔化金属和熔渣加入到熔池中参加冶金反应。焊接熔池不断地移动，参与反应的物质不 断改变，使焊接熔池冶金反应更为复杂。 （4）反应接触面大、搅拌激烈）反应接触面大、搅拌激烈 接触面大加速冶金反应，气体容易侵入液态金属中，造成氮化、氧化和出现气孔，但也有利于加快反应速度，有助于熔池气体逸出。 以焊条电弧焊为例熔池质量仅为35克，而熔滴的表面积可达1102/g，比炼钢时大1000倍，使反应冶金激烈，并有强烈的混合作

4、用。二、气体对焊缝金属的影响二、气体对焊缝金属的影响 气体来源于气体来源于焊接材料焊接材料、焊件坡口的铁锈、油焊件坡口的铁锈、油污和吸附的水分污和吸附的水分；也可能来自于；也可能来自于大气。大气。由于焊接由于焊接方法、焊接电流、方法、焊接电流、 药皮和焊剂成分不药皮和焊剂成分不同，气体成分同，气体成分 为为CO、2和水分和水分等，由于熔池等，由于熔池 保护不当、空气中保护不当、空气中的的N2混入熔混入熔 池。这些气体一池。这些气体一旦侵入熔池，旦侵入熔池， 将对焊缝的性将对焊缝的性能产生极为能产生极为 不利的影响。不利的影响。CO2 22 20 0N2 2N2 2CON2 2 （一）氧对焊缝金

5、属的作用（一）氧对焊缝金属的作用 主要来源于电弧中的O2、CO2、H2O，以及药皮中的氧化物和焊件表面的铁锈、水分等。 通常氧以原子氧和氧化亚铁（FeO）两种形式溶解在液态金属中。 氧在焊缝中有两种形式同时存在，以原子状态单独溶解在金属中，但数量极小；大多数以夹杂物点状分布或沿晶界形成细小疏松的网状分布。无论何种形式含氧量增加，将使金属的硬度、强度、塑性明显下降，尤其是低温冲击韧度集聚下降，还会引起红脆、冷脆和时效硬化。 氧还会与液态金属中的C反应生成CO，引起飞溅，导致焊缝产生气孔。焊接有色金属时，氧的危害更加突出。 1.氧对焊缝金属的危害氧对焊缝金属的危害 2.减少焊缝含氧量最有效的措施减

6、少焊缝含氧量最有效的措施 进行脱氧。脱氧是分阶段、分区域连续进行的，方式有两种：脱氧剂脱氧（脱氧时间分先期脱氧、沉淀脱氧）及扩散脱氧。 （1）脱氧的目的与脱氧剂的要求）脱氧的目的与脱氧剂的要求 脱氧的目的就是要减少焊缝中的含氧量。通过焊丝、焊剂或焊条药皮中加入某些对氧亲和力较大的合金元素，使它们在焊接过程中夺取气相或氧化物中的氧而自身被氧化，从而减少焊缝金属中的氧化及焊缝含氧量。 1 1）脱氧剂应该是在焊接温度下对氧的亲和力比脱氧剂应该是在焊接温度下对氧的亲和力比被焊金属大被焊金属大，焊接铁基合金时，生产中常用，焊接铁基合金时，生产中常用AlAl、TiTi、SiSi、MnMn等的铁合金或金属粉

7、作为脱氧剂，元等的铁合金或金属粉作为脱氧剂，元素对氧的亲和力越大，脱氧的能力就越强。素对氧的亲和力越大，脱氧的能力就越强。 2 2）脱氧的产物不能溶于液态金属脱氧的产物不能溶于液态金属，密度小于液，密度小于液态金属的密度，以便脱氧产物上浮到熔渣中去，态金属的密度，以便脱氧产物上浮到熔渣中去，减少焊缝金属的夹杂物。减少焊缝金属的夹杂物。 3.先期脱氧先期脱氧 先期脱氧发生在药皮或焊剂加热而未熔化前的过程中。其特先期脱氧发生在药皮或焊剂加热而未熔化前的过程中。其特点是点是脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系脱氧过程和脱氧产物与熔滴不发生直接关系。当药皮或焊剂。当药皮或焊剂加热到加热到450450

8、时以上时，药皮中的高价氧化物及碳酸盐等受热分时以上时，药皮中的高价氧化物及碳酸盐等受热分解产生解产生COCO2 2或氧与药皮中的脱氧剂发生或氧与药皮中的脱氧剂发生置换反应置换反应，生成的氧化物，生成的氧化物转入熔渣固定下来。转入熔渣固定下来。 FeFe2 2O O3 3+Mn=MnO+2FeO+Mn=MnO+2FeO、 FeO+MnFeO+Mn=MnO+FeMnO+Fe、 2CaCO2CaCO3 3+Si=2CaO+SiO+Si=2CaO+SiO2 2+2CO+2CO、 2CaCO2CaCO3 3+Ti=2CaO+TiO+Ti=2CaO+TiO2 2+2CO+2CO CaCO CaCO3 3+

9、Mn=CaO+MnO+Mn=CaO+MnO2 2+CO+CO 反应的结果使气相的氧化性减弱。由于药皮焊剂加热阶段温反应的结果使气相的氧化性减弱。由于药皮焊剂加热阶段温度低，度低，先期脱氧不完全先期脱氧不完全，尚需进一步脱氧。，尚需进一步脱氧。脱氧的效果取决于脱氧的效果取决于脱氧剂对氧的亲和脱氧剂对氧的亲和力、粒度、氧化剂力、粒度、氧化剂和脱氧剂的比例，和脱氧剂的比例，及焊接工艺参数。及焊接工艺参数。 4.沉淀脱氧沉淀脱氧 MnMn的脱氧的脱氧 沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的。特点是沉淀脱氧是在熔滴和熔池内进行的。特点是脱脱氧剂和氧剂和Fe0Fe0直接反应直接反应，将铁还原，使脱氧产物转入，将铁

10、还原，使脱氧产物转入熔渣而被清除。熔渣而被清除。 1 1）MnMn的脱氧反应：的脱氧反应： MnMn来自药皮和焊丝来自药皮和焊丝 Mn+FeOMn+FeO=Fe+(MnOFe+(MnO) ) 脱氧效果与脱氧效果与MnMn的含量有关的含量有关，增加，增加MnMn的含量可提的含量可提高脱氧效果；高脱氧效果；与渣的酸碱度有关与渣的酸碱度有关，在含有较多，在含有较多SiO2SiO2、TiO2 TiO2 的酸性熔渣中的酸性熔渣中MnOMnO与其复合成稳定的与其复合成稳定的MnOSiO2 MnOSiO2 、Mn0TiO2Mn0TiO2减小了减小了MnOMnO的活度，脱氧效的活度，脱氧效果好；在碱性熔渣中果

11、好；在碱性熔渣中SiO2SiO2、TiO2 TiO2 的的 含量少，因而含量少，因而MnOMnO活度大，不利于脱氧。故酸性焊条多采用活度大，不利于脱氧。故酸性焊条多采用MnMn脱氧脱氧。 沉淀脱氧沉淀脱氧 SiSi的脱氧的脱氧2 2）SiSi的脱氧反应：的脱氧反应： SiSi对氧的亲和力比对氧的亲和力比MnMn大大 Si+2Fe0=2Fe+(Si0Si+2Fe0=2Fe+(Si02 2) ) 提高提高SiSi的含量和熔渣的碱度，可提高脱氧效果，但生成的含量和熔渣的碱度，可提高脱氧效果，但生成的的Si02Si02熔点高，黏度大，不宜从液态钢中分离，易造成夹渣熔点高，黏度大，不宜从液态钢中分离，易

12、造成夹渣，故，故一般不单独用一般不单独用SiSi脱氧脱氧。 SiSi在碱性熔渣中脱氧效果好，酸在碱性熔渣中脱氧效果好，酸性熔渣中脱氧效果差。性熔渣中脱氧效果差。3 3）采用）采用SiSi、MnMn联合脱氧。联合脱氧。 脱氧产物相互结合成熔点低，密度小的复合物进入熔渣脱氧产物相互结合成熔点低，密度小的复合物进入熔渣。实践证明，当。实践证明，当 MnMn/Si=3/Si=3 7 7时，脱氧产物可形成时，脱氧产物可形成Mn0Si0Mn0Si02 2硅酸盐浮到熔渣中去，减小焊缝的夹杂物，降低焊硅酸盐浮到熔渣中去，减小焊缝的夹杂物，降低焊缝的含氧量。缝的含氧量。碱性焊条药皮中加入硅铁和锰铁进行联合脱氧碱

13、性焊条药皮中加入硅铁和锰铁进行联合脱氧，效果较好。，效果较好。 5.扩散脱氧扩散脱氧 扩散脱氧是扩散脱氧是FeOFeO从熔池向熔渣扩散，从而降低焊缝中从熔池向熔渣扩散，从而降低焊缝中FeOFeO的的浓度。浓度。扩散脱氧是扩散氧化的逆过程。扩散脱氧是扩散氧化的逆过程。 FeOFeO ( (FeOFeO) ) 当温度下降时，反应向右进行，熔池中的当温度下降时，反应向右进行，熔池中的Fe0Fe0向熔渣扩散。向熔渣扩散。所以所以扩散脱氧是在扩散脱氧是在熔池尾部低温区进行的熔池尾部低温区进行的，处于，处于熔池凝固阶段熔池凝固阶段。 在温度不变的条件下，在温度不变的条件下，Fe0Fe0在渣中的活度越低，脱

14、氧效果在渣中的活度越低，脱氧效果越好。当渣中较多的强酸氧化物越好。当渣中较多的强酸氧化物SiO2SiO2、TiO2TiO2时，易于时，易于Fe0Fe0形成复形成复合物，而使渣中合物，而使渣中Fe0Fe0的活度降低，液态金属中的的活度降低，液态金属中的Fe0Fe0便不断向渣便不断向渣中扩散。所以中扩散。所以酸性渣有利于扩散脱氧，而碱性渣扩散脱氧能力酸性渣有利于扩散脱氧，而碱性渣扩散脱氧能力较差。较差。 6.酸性焊条和碱性焊条的药皮类型不同，采用的脱氧途径及脱氧剂选用元素也不同。 （1）酸性焊条（）酸性焊条（E4303） 1）先期脱氧）先期脱氧 药皮加热过程中，药皮中的碳酸盐（CaCO3、MgCO

15、3等）受热分解： CaCO3=CaO+CO2 MgCO3 =MgO+CO2 MnO是碱性氧化物。E4303型熔渣中酸性氧化物SiO2和TiO2很多。酸性氧化物和碱性氧化物可以形成稳定的熔渣，脱氧效果好。 药皮内锰铁和CO2反应，氧化物转入渣中固定 CO2+Mn=MnO+CO MnO+SiO2=MnOSiO2（入渣） MnO+TiO2= MnOTiO2 （入渣） 早期尽可能把氧去除早期尽可能把氧去除，以免氧与熔化金属发生作用后使，以免氧与熔化金属发生作用后使金属氧化物。主要发生在焊条端部反应区，脱氧过程和脱金属氧化物。主要发生在焊条端部反应区，脱氧过程和脱氧产物一般不和熔滴金属发生直接关系。氧产

16、物一般不和熔滴金属发生直接关系。 如果如果E4303型焊条的药皮主要采取型焊条的药皮主要采取硅铁和钛铁硅铁和钛铁作脱氧剂作脱氧剂 2CO2+Si=SiO2+2CO 2CO2+Ti=TiO2+2CO 由于由于E4303型熔渣中型熔渣中SiO2及及TiO2已经很多，因此上述已经很多，因此上述反应不易进行，不易脱氧。反应不易进行，不易脱氧。 2）沉淀脱氧）沉淀脱氧 利用熔池中的合金元素进行脱氧，并使脱氧后的产物不溶于熔池而排入熔渣，脱氧的对象主要是熔池的FeO。在E4303型焊条中Mn脱氧效果很好。Si、Ti对氧的亲和力比Mn和氧的亲和力大得多，但E4303型焊条中含有大量的SiO2和TiO2，而S

17、i和Ti脱氧后的生成物也是SiO2和TiO2，均为酸性氧化物，无法与熔渣中存在的大量酸性氧化物结合成稳定的熔渣。 2FeO+Si=SiO2+2Fe 2FeO+Ti=TiO2+2Fe 而Mn的脱氧反应： FeO+Mn=Mn+Fe MnO为碱性氧化物很容易与酸性氧化物（SiO2、TiO2）结合成稳定的熔渣。 3）扩散脱氧）扩散脱氧 FeO既可溶解于Fe中，也可以从熔池扩散到熔渣中，熔池中FeO不断扩散到熔渣，使熔池的含氧量降低。由于FeO为碱性氧化物，而在E4303型焊条中有大量SiO2和TiO2，因此可以形成稳定的熔渣。 FeO+SiO2= FeOSiO2 FeO+TiO2= FeOTiO2 这

18、有利于熔池中FeO不断地向熔池中扩散，但焊接时冶金时间很短，而扩散需要较长时间，所以扩散脱氧效果有限。熔池的搅拌作用有利于扩散脱氧。 （2）碱性焊条（）碱性焊条（E5015） 1）先期脱氧）先期脱氧 E5015中含有大量的大理石原料，加热时放出气体： CaCO3=CaO+CO2 药皮中主要靠硅铁和钛铁脱氧： 2CO2+Si=SiO2+2CO 2CO2+Ti=TiO2+2CO E5015熔渣碱性氧化物约占熔渣的2/3以上，熔渣的碱度很大，脱氧产物SiO2和TiO2很容易和熔渣中的碱性氧化物结合，生成复合化合物： SiO2+CaO= SiO2CaO（入渣） TiO2+CaO= TiO2CaO （入

19、渣） 如果E5015采用锰铁作脱氧剂，则脱氧产物MnO是碱性的，则不容易形成稳定的熔渣。因此锰铁在E5015中只起渗合金作用。 2）沉淀脱氧）沉淀脱氧 E5015药皮中Ti、Si对熔池中的FeO脱氧效果较好： 2FeO+Ti=TiO2+2Fe 2FeO+Si=SiO2+2Fe 脱氧后产物入渣固定： TiO2+CaO= TiO2CaO SiO2+CaO= SiO2CaO 扩散脱氧在碱性焊条中基本上不存在。因为在碱性熔渣中存在大量的强碱性氧化物CaO，而熔池中的FeO也呈碱性，因此扩散脱氧难以进行。 （二）氢对焊缝的影响（二）氢对焊缝的影响 主要来源于药皮、焊剂、空气中的水分以及坡口上的有机物和保

20、护气体不纯等。在电弧高温作用下，电弧区域中的氢主要以原子、离子和分子形态存在。当温度大于5000K时，主要以原子存在。温度低于2000K时，主要以分子存在。 第一类与锆、钛、钒、鉭、铌能形成稳定的氢化物。300700吸氢量大，高于700时吸入量减小，氢化物分解，氢可以扩散逸出。焊接时防止低温吸收大量的氢。 第二类与铁、铝、镍、铜、铬、钼不能形成稳定的氢化物，但能溶于这类金属中，并随温度的升高，溶解度也增加。 焊缝中大部分氢以离子或原子存在。一部分氢的原子焊缝中大部分氢以离子或原子存在。一部分氢的原子或离子可在金属晶格中自有扩散，称之为或离子可在金属晶格中自有扩散，称之为扩散氢扩散氢。可从焊。可

21、从焊缝表面逸出一部分。一部分聚集到金属的晶格缺陷或非金缝表面逸出一部分。一部分聚集到金属的晶格缺陷或非金属夹杂物的空隙中结合成分子，不能自由扩散称为属夹杂物的空隙中结合成分子，不能自由扩散称为残余氢残余氢。对钢焊接而言，氢的危害极大。对钢焊接而言，氢的危害极大。 （1）氢致裂纹：焊接时溶解于焊缝中的氢，在冷却过）氢致裂纹：焊接时溶解于焊缝中的氢，在冷却过程中溶解度下降，会向热影响区扩散。当某区域氢浓度程中溶解度下降，会向热影响区扩散。当某区域氢浓度 很高而温度下降时，一些氢原子结合成氢分子，会在金属很高而温度下降时，一些氢原子结合成氢分子，会在金属内造成很大内造成很大局部应力局部应力。对于淬硬

22、倾向大的材料，在约束应。对于淬硬倾向大的材料，在约束应力作用下会产生力作用下会产生冷裂纹冷裂纹。另外在接头还容易产生。另外在接头还容易产生淬硬组织淬硬组织，使，使塑性塑性严重下降。严重下降。 （2）气孔：氢是焊缝中产生气孔的主要因素之一。）气孔：氢是焊缝中产生气孔的主要因素之一。 （3）白点：碳钢或低合金钢焊缝，若含氢量较大，）白点：碳钢或低合金钢焊缝，若含氢量较大，常常在拉伸试件的断面出现常常在拉伸试件的断面出现鱼目状白色圆点鱼目状白色圆点。直径一般为。直径一般为0.53mm，使焊缝金属的塑性大大降低。，使焊缝金属的塑性大大降低。 此外，残余在焊缝中的氢还产生很大的此外，残余在焊缝中的氢还产

23、生很大的组织应力组织应力。 为了减少氢的有害作用，焊接时应严格控制焊缝中的为了减少氢的有害作用，焊接时应严格控制焊缝中的含氢量。限制氢和水分子的来源，尽量防止氢溶入金属中含氢量。限制氢和水分子的来源，尽量防止氢溶入金属中。若氢含量过高，可进行。若氢含量过高，可进行脱氢处理脱氢处理。（三）氮对焊缝金属的影响（三）氮对焊缝金属的影响 氮与金属不反应也不溶解，如氮与金属不反应也不溶解，如Cu、N Ni。 氮与金属即反应又溶解，氮与金属即反应又溶解，FeFe、Mn、Cr r、T Ti。焊接熔池中氮以焊接熔池中氮以原子、离子、氮化物原子、离子、氮化物三种形态同时存在。三种形态同时存在。 在在-Fe-Fe

24、中溶解度很小，冷却时来不及逸出，一部分中溶解度很小，冷却时来不及逸出，一部分以以过饱和形态存在于固溶体中过饱和形态存在于固溶体中，提高提高了焊缝的了焊缝的强度强度，降低降低了焊了焊缝的缝的塑性和韧性塑性和韧性，在焊缝中形成的气孔，降低了焊缝的致密，在焊缝中形成的气孔，降低了焊缝的致密性和力学性能。性和力学性能。 另一部分另一部分以针状氮化物（以针状氮化物（FeFe）的形式析出）的形式析出，分布在，分布在晶界和固溶体内。提高了焊缝的强度和硬度，使塑性和韧性晶界和固溶体内。提高了焊缝的强度和硬度，使塑性和韧性急剧下降。同时急剧下降。同时FeFe是一种时效产物是一种时效产物，即氮是一种能促使，即氮是

25、一种能促使焊缝金属时效脆化的元素。当焊缝金属中氮的体积分数焊缝金属时效脆化的元素。当焊缝金属中氮的体积分数0.01%Mg0MnOFeOA12O3Fe2O3(强一弱) CaO效果最好，因此常用CaO脱磷。 3CaO+P2O5=Ca3P2O8 4CaO+P2O5=Ca4P2O9 从上述讨论中可知，渣中如同时有足够的自由FeO和自由CaO(在渣中未形成稳定复合化合物的FeO或CaO)，则脱磷效果好。但具体在碱性焊条或酸性焊条中，要同时具有上述两个条件是困难的。 碱性焊条熔渣中含有自由CaO较多，但碱性焊条脱氧性能强，因此不能同时有较多的自由FeO，如一定要增加FeO，势必引起焊缝金属中含氧量上升，以致降低焊缝性能。 六、焊缝金属的渗合金六、焊缝金属的渗合金焊缝金属合金化的目的焊缝金属合金化的目的1、补偿焊接过程中因蒸发和氧化所引起的合